偏压填土对既有浅埋隧道稳定性影响分析

张庆波，刘柯廷，梁宇航，胡赞涛

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

国内外关于隧道上部填土对隧道结构变形的影响研究比较多，而对受单侧偏压填土影响的隧道结构变形规律的研究相对较少.张胜等[1]依托向家坝水电站的姚家坝隧道，对浅埋偏压隧道的进洞方案进行优化，并分析了隧道洞口边坡稳定性.张明告等[2]结合模型试验与有限元模拟对超载导致的隧道土压力变化进行研究，分析了穿越土层的压缩性能对隧道结构变形的影响；江杰等[3]运用Boussinesp法，计算隧道在地面堆载作用下，隧道竖向附加应力的变化趋势；康成等[4]研究了地表临时堆载对隧道结构的影响，发现提高隧道的抗弯刚度与隧道基床反应力系数可以有效减小隧道的沉降变形；吕荔炫[5]研究了地面堆载对软土环境中隧道变形的影响规律，认为CFG桩与水泥土搅拌桩的结合能满足隧道变形要求；王大发[6]在研究新建地下工程对跨越已建隧道的影响时，认为分段式开挖能减小隧道的竖向隆起变形；吴庆等[7]在研究隧道埋深与堆载位置对盾构隧道的影响时，结合室内模型试验总结了盾构隧道在堆载作用下的变形规律；张强[8]对地铁隧道的竖向变形规律进行研究，提出了明挖卸荷与暗挖卸荷2种条件下隧道竖向变形公式；陈军等[9]在研究静压挤土桩对既有隧道结构的影响时，发现隧道结构位移随着桩与隧道之间间距的增大而减小；卢裕杰[10]研究了填土对既有浅埋隧道衬砌结构的影响，发现填土将导致衬砌整体下沉，并提出容许填土厚度与原有覆盖土厚度的关系.

本文依托梅林路铁路隧道结构安全性评估项目，使用MIDAS/GTS分析单侧偏压填土对梅林路铁路隧道所受土压力与隧道结构位移变化趋势的影响，了解隧道结构在偏压填土作用下衬砌受力与位移的变化趋势.

1 工程概况

既有梅林路铁路隧道位于益阳市梅林路和石长线铁路交叉处，为单线电气化隧道.该铁路线路为客货两用，设计速度为160 km/h，采用重型轨道，碎石道床，铺设钢筋混凝土轨枕.研究区位于益阳市城区南侧边缘，东北侧距益阳市火车站直线距离约3.5 km，有梅林路通达，交通便利，位置详见图1.铁路隧道呈东南-西北走向，隧道为钢筋混凝土结构，宽13.9 m，高8.5 m，顶板厚0.8 m，侧板厚0.6 m.隧道南侧为人工填土区，填土最大高度达8.36 m，填土形成的边坡坡度约为25°，为近期新填土.根据勘探结果，该区域原地层主要由种植土与板岩构成.种植土呈黄褐色-灰褐色，由粘性土夹植物根茎和少量碎石组成，处于软塑-可塑状态，具有较高的压缩性.板岩呈黄褐色-红褐色，其矿物成分主要为黏土质，岩体基本上风化为土状，部分夹有石英和强风化板岩残块，风化裂隙极为发育，岩体极破碎，钻探取样岩芯为碎块状，用手可轻易将岩芯折断，且岩芯遇水易软化崩解.

图1 区域交通位置(谷歌卫星图)

研究区内地表水体较不发育，地表径流主要通过城市排水系统排泄，地下水主要由大气降水补给，地表无径流、无常年流水冲沟，降雨形成的地表水大部分形成地表漫流、部分下渗到地下形成地下水，地下水总体上沿基岩风化裂隙、岩土接触面和滑坡体裂隙发育带由西向东径流，局部上层滞水直接以渗水形式排泄至填土坡体前缘坡脚.

2 填土对既有隧道的影响分析

2.1 模型建立

为分析单侧填土对既有隧道的影响，以石长铁路梅林路隧道为例，简化地形，并利用MIDAS/GTS软件进行数值模拟，模型见图2.

图2 有限元模型及边界条件

模型沿线路方向长70 m，宽度50 m，全部采用实体单元.参照《铁路隧道设计规范》[11](TB10003-2016)，隧道混凝土材料参数采用C30混凝土标准，隧道宽13.9 m，高8.5 m，顶板厚0.8 m，侧板厚0.6 m，新填土按2级放坡.

为满足边界效应要求，并充分考虑填土对既有隧道的影响范围，边界条件的设置为：对模型底面约束3个方向的位移，对垂直于线路方向的边界面约束z方向的位移，对平行于线路方向的边界面约束x方向的位移.

在模型中，填土的情况可以简化为：先行计算填土前，隧道及其周边的应力与位移变化情况；然后研究不同填土类型对隧道左侧的变形影响，对比分析填土在暴雨环境与天然环境中，隧道的应力变化与位移变化.

为研究新填土性质和气候环境对隧道结构的影响，选择了4种工程性质由优至劣的新填土进行计算，同时针对每种新填土的计算又分为天然环境和暴雨环境2个工况，共进行了8组工况的计算，隧道及原有土体材料参数如表1所示，不同种类新填土在不同工况条件下的土体材料参数见表2，其中工况1为一般工况的填土环境，其计算参数采用该区域填土力学参数推荐值.

表1 隧道及原有土体材料参数

表2 不同种类新填土在不同工况下土体材料参数

2.2 计算分析

2.2.1 土压力分析

为分析隧道结构所受土压力的分布情况，首先对隧道在无新填土时，隧道结构侧壁土压力进行模拟计算，其变化情况见图3.而新填土对隧道结构所受土压力的影响，以工况1的新填土为例进行模拟，隧道侧壁土压力变化情况见图4.

图3 无新填土时隧道侧壁的土压力分布情况

通过图3和图4对比分析无新填土与工况1的新填土垂直于线路的侧向土压力分布情况，在无新填土时，考虑土体固结的影响，但不考虑原有填土对隧道侧壁土压力的影响，由于隧道衬砌结构的反作用力，隧道临空侧的侧壁土压力数值出现负值，且随原有覆盖层厚度变化，最大值出现在隧道侧边墙下部1/3处.在填土后，隧道部分区域侧壁土压力转变为正值，主要出现在隧道衬砌的上部顶板处与无新填土侧.隧道填土侧土压力明显变大，变化区域与填土的范围有关，填土区域的侧壁土压力表现为负值，但是与无新填土的侧壁土压力值相对比，土压力增大约4倍.填土后，侧壁土压力分布变得不均匀，但侧壁土压力最大值仍在隧道侧边墙下部1/3处，隧道无填土侧的土压力也会随着新填土而发生变化，但数值变化较小.由此可知，新填土后，隧道结构所受的土压力会随着填土而增大，但最大值一直位于隧道侧边墙下部1/3处，土压力增大的程度在隧道侧边墙下部1/3处对称分布.

图4 有新填土后(工况1)隧道侧壁的土压力分布情况

对其他几种填土工况进行数值模拟计算，结果见表3和图5.由表3可知，在工况8时，新填土后隧道左壁土压力峰值最大，为66.5 kPa.此工况同样是新填土后隧道左壁土压力峰值增量的最大值，为46.4 kPa.综合图3、图4以及表3，可知隧道左壁土压力明显增长范围的纵向(沿线路方向)长度大致与新填土纵向长度相同，高度大约距离地面2～4 m.在各工况下，结合图5可知，填土可使隧道左壁土压力峰值增加42.0～46.4 kPa，填料工程性质越差或降雨量越大，隧道左壁的土压力峰值越高，但提升幅度不大.

表3 不同工况条件下隧道左壁土压力峰值变化

图5 不同工况条件下隧道左壁土压力峰值增量

2.2.2 位移分析

为了解不同工况条件下，偏压填土对既有隧道结构的影响规律，以工况1为例进行分析，填土的总体位移云图见图6，隧道位移平面矢图见图7，隧道侧壁总位移云图见图8.

图6 有新填土时填土的总体位移(工况1)

从图6可知，工况1条件下的填土在重力作用下，新填土体的位移受自身固结因素的影响，越靠近新填土边缘区域，填土的位移越大，且填土的位移方向与原始地面线方向平行.对土体的位移变化趋势分析，有助于了解偏压填土对隧道结构的位移影响.由图7可知，偏压填土一侧的隧道结构位移远大于其相对侧面结构的位移.偏压填土侧面的隧道结构位移大小在7.05～6.05 mm之间，且越靠近隧道底部，位移趋势越大，并向隧道内侧方向变形；偏压填土相对侧面的隧道结构的位移量基本相同，位移大小在3.05～2.05 mm之间，且位移方向与隧道侧壁基本呈垂直状态.

图7 隧道结构位移平面矢量图(变形放大)

由图8可知，隧道结构的最大变形位置与偏压填土位置有关，其最大位移变化区域位于偏压填土侧的隧道结构底部位置，且相对偏压填土侧面的隧道结构顶角处的位移变化最小.在新填土堆载作用下，偏压填土侧面隧道结构最大位移变化为8 mm，另一侧隧道顶角位移变化为2 mm.

图8 隧道侧壁总位移云图

既有线路的沉降控制标准与铁路运营的速度和轨道平顺性有关，同时也需要考虑结构的安全与耐久性.隧道结构过大的变形将导致混凝土衬砌结构裂缝的出现或扩展，产生漏水、漏沙等病害，导致隧道周边土体被带出，形成中空带，从而导致隧道上覆土体出现病害，并威胁到隧道结构的安全.因此，为了解不同新填土及不同降雨强度对隧道结构安全性的影响，通过数值模拟分析隧道结构在8种不同工况条件下的位移变化趋势，结果见表4和图9.

表4 不同工况条件下隧道最大位移变化 mm

由图9可以看出，隧道结构最大竖向位移基本不受新填土土体种类与降雨强度的影响.但隧道结构的最大水平位移与最大总位移受降雨强度的影响较大，降雨将使隧道结构的位移增大约1.5 mm，因此需要特别注意暴雨条件下时，隧道结构的变化趋势.

图9 隧道结构位移与工况类别关系曲线

3 现场监控及分析

3.1 监控量测内容及方法

为验证偏压填土对隧道支护结构的影响，对隧道结构进行收敛变形监测，监测工作不影响铁路的运营，采用激光测距仪对隧道收敛变形进行监测，激光测距仪布设从隧道口向隧道内进行，沿隧道2侧边墙的1/2高度处布设.隧道拱顶为激光反射板，布设位置为拱顶中心线，每隔10 m为1个测量断面.激光测距仪通过反射片反射激光得到仪器之间的距离变化，进而计算出隧道结构各监测点的收敛变化值，激光测距仪的测量精度为0.01 mm，远高于隧道规范[12]要求的净空变化测量仪器精度0.5～1.0 mm，数据采集使用线上自动采集，可长期对隧道的变形进行监测.监测仪器布置位置如图10所示.

图10 监测仪器布置位置

3.2 监测结果及分析

隧道偏压填土区段为20～40 m，填土后隧道2侧边墙各实测点的累计位移与数值模拟计算的累计位移沿隧道纵向的变化曲线对比见图11.

图11 隧道侧边墙沿隧道纵向的累计位移变化曲线

由图11可知，偏压填土后，隧道衬砌结构将发生变形，且偏压填土侧的位移明显大于无填土侧.测量区段偏压填土一侧最大位移量为5.47 mm，无偏压填土一侧的最大位移量为2.67 mm，隧道变形范围为10～50 m，略大于填土区间段.对比数值计算结果发现，监测数值的最大值小于数值计算值，出现这一现象的主要原因为衬砌结构本身能够抵抗部分变形，且原有填土能自承受部分压力.数值模拟计算值虽大于实测值，但变形趋势与实测值相同，故可使用数值模拟对类似工程进行变形趋势判断，指导现场监测工作.

4 结论

1)新填土后，在隧道结构左壁出现土压力明显增长，长度大致与新填土纵向长度相同，高度距离地面2～4 m.2)无新填土时，左壁土压力峰值约为20.1 kPa；填土后，隧道侧壁土压力峰值增加42.0～46.4 kPa，填土的工程性质变化对土压力的影响较小.3)在新填土堆载作用下，隧道结构偏压填土侧有相对隧道侧边墙斜向下变形的趋势，位移最大位于隧道结构偏压填土侧后方，纵向大致与最高填土位置平齐.4)对于同一种填料，暴雨工况下的位移相对天然工况会明显增加，而且土的性质越差，增加幅度越大，增幅范围为19.5%～22.0%.5)偏压填土造成隧道的最大水平位移与最大总位移变化趋势相同，但是对隧道最大竖向位移影响较小.6)浅埋隧道偏压填土后，需要布置好填土区域的排水措施，减少雨水对浅埋隧道结构安全的影响.